-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modulsystem aufweisend drei LED-Module.
-
Hintergrund
-
Aus dem Stand der Technik (s. 1) sind Leuchtdioden-Module (LED-Module) bekannt, welche direkt an eine gleichgerichtete Netzspannung anschließbar sind, so dass die Spannung an dem LED-Modul die Form der gleichgerichteten Netzhalbwellen zeigt. Dies wird oft „Direct AC“ Technik genannt.
-
Derartige Leuchtdioden-Module weisen in der Regel zumindest eine Leuchtdioden-Strecke mit in Serie geschalteten Leuchtdioden sowie eine Steuerschaltung auf, wobei die Steuerschaltung ein Kurzschließen der in Serie geschalteten Leuchtdioden der Leuchtdioden-Strecke derart steuert, dass der durch die Leuchtdioden-Strecke fließende Strom an den Verlauf der gleichgerichteten Wechselspannung, mit der derartige Leuchtdioden-Module direkt versorgt werden, angepasst wird. D. h. üblicherweise werden die in Serie geschalteten Leuchtdioden stufenweise ein- und ausgeschalten, je nachdem wie groß die Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung ist.
-
Folglich leuchten die Leuchtdioden der Leuchtdioden-Strecke solcher Leuchtdioden-Module unterschiedlich lange, da z. B. die Leuchtdioden, welche in der Nähe des Maximalwertes der Hüllkurve der gleichgerichteten Wechselspannung eingeschaltet sind, „seltener“ bzw. für kürzere Zeit eingeschaltet sind im Vergleich zu den Leuchtdioden, die bereits bei niedrigeren Werten der Hüllkurve der gleichgerichteten Wechselspannung eingeschaltet sind.
-
In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass bei solchen Leuchtdioden-Modulen ein Bedarf besteht, die Homogenität des durch die Leuchtdioden der Leuchtdioden-Strecke emittierten Lichts über die Länge der Leuchtdioden-Strecke zu verbessern. Unter der Homogenität des emittierten Lichts über die Länge der Leuchtdioden-Strecke versteht man wie gleichmäßig das Licht von der Trägerplatte des Leuchtdioden-Moduls, insbesondere der Leuchtdioden-Strecke, abgegeben wird und folglich wie gleichmäßig die Trägerplatte durch die Leuchtdioden der Leuchtdioden-Strecke ausgeleuchtet wird.
-
Ferner sind Einphasen-Wechselstrom-LED-Anordnungen auch bekannt, welche eine bestimmte Anzahl von LED-Stufen verwenden, die mit unterschiedlichen Phasenwinkeln der Versorgungsspannung beleuchtet werden, um die kombinierten Durchlassspannungen aller aktiven LEDs zur gleichgerichteten Netzspannung zu berechnen. Multijunction-COB-LED-Anordnungen sind ebenfalls bekannt sowie COB-Anordnungen, welche alle Stufen einer AC-LED enthalten.
-
Diese LED-Anordnungen haben jedoch den Nachteil, dass großes Lichtflimmern bei 100 Hz entstehen und bzw. oder der Netzstrom einen hohen THD aufweist.
-
In dem Stand der Technik gibt es ferner Mehrkanal-LED-Platten (z. B. abstimmbare weiße oder RGB-Licht-Treiber), bei denen die Anordnung der einzelnen LEDs auf einer Leiterplatte wichtig ist. Bei AC-LEDs, bei denen nicht alle LEDs über den gesamten Netzzyklus leuchten, ist die Anordnung der LEDs auf der Platine wichtig. Bei AC-LEDs sind die LEDs in Stufen zusammengefasst, in denen jede Stufe leuchtet, sobald die gleichgerichtete Netzspannung eine bestimmte Schwelle erreicht hat (siehe 1).
-
Allerdings haben die LED-Modulsysteme nach dem Stand der Technik zumindest die folgenden Nachteile:
- a) nicht alle LEDs leuchten in einer Phase (die höheren Stufen fahren nur um die Netzhochpunkt) was zu einer erheblichen 100Hz Lichtschwankung führt; und
- b) diese Lichtschwankung durch Speicherelemente (z.B. Kondensatoren) geglättet werden muss was zu erhöhten Kosten bzw. einer verringerten Lebensdauer führt.
-
Im Lichte dieses Standes der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein LED-Modul, insbesondere ein Direkt-AC-Leuchtdioden-Modul, bereitzustellen, mit dem eine Verbesserung der Homogenität des durch die Leuchtdioden emittierten Lichts über die Länge der Leuchtdioden-Strecke ermöglicht wird. Weiteres soll die Überlagerung der drei von je einer Phase versorgten LED Module die Größe des 100Hz Lichtflickers verringern.
-
Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
-
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein dreiphasen LED-Modulsystem bereitgestellt, wobei das dreiphasen LED-Modulsystem drei LED-Module aufweist, die jeweils aufweisen:
- - einen Anschluss für jeweils eine Phase einer Dreiphasen-Versorgungsspannung, so dass die LED-Module mit 120 Grad phasenversetzen Phasen versorgt sind,
- - eine Versorgungsschaltung, mit
- - einem Gleichrichter, der die zugeführte Phase der Dreiphasen-Versorgungsspannung gleichrichtet und Anschlüssen für eine Serienschaltung mehrere bevorzugt weißer LEDs zuführt,
- - von einer Steuerschaltung angesteuerte Kurzschlusselemente, die selektiv innerhalb einer Halbwelle der jeweiligen gleichgerichteten Phase der Dreiphasen-Versorgungsspannung eine Untergruppe der LEDs der Serienschaltung kurzschließen bzw. aktiv schalten.
-
Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass dank der um 120 Grade verschobenen Phasen die erzeugte Lichtintensität zeitlich gleichmäßiger ist. Ferner werden eine kostengünstige und gute Netzleistung (d. H. PF und THD) sowie eine gute Lichtqualität (geringes Lichtflackern) erreicht.
-
Gemäß einer Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, sind die Schaltvorgänge der Kurzschlusselemente in den drei LED-Modulen zueinander synchronisiert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, wird bei dem Aktivschalten einer Untergruppe der LEDs eines Moduls eine Untergruppe der LEDs eines anderen Moduls kurzgeschlossen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, sind die LEDs sämtlicher Module von einer gemeinsamen, Leuchtstoff enthaltenden Schicht überdeckt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, weist das dreiphase LED-Modulsystem jeweils eine Serienschaltung an LEDs mit aktivierbaren/kurzschließbaren Untergruppen auf, wobei die LEDs räumlich in Gruppen so angeordnet sind, dass jede Gruppe benachbart eine Untergruppe eines jeden LED-Moduls aufweist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, sind die Untergruppen einer Gruppe jeweils bei unterschiedlichen Amplituden ihrer jeweiligen Phase der Dreiphasen-Versorgungsspannung aktiv sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, sind die LED-Module und die drei Phasen auf einem Chip-on-Board (COB) Modul angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, sind die LED-Module im Wesentlichen nebeneinander angeordnet und teilen eine gemeinsame Phosphorschicht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, sind die LED-Module auf einem Printed-Circuit-Board (PCB) angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, ist die Untergruppe der LEDs der Serienschaltung aktiv geschaltet, wenn die gleichgerichtete Dreiphasen-Versorgungsspannung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, erzeugt jede Untergruppe der LEDs der Serienschaltung, wenn sie aktiv geschaltet ist, ein im Wesentlichen konstantes Licht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, umfassen die Kurzschlusselemente MOSFETs, wobei die MOSFETs entweder diskret oder im IC integriert implementiert sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, ist der Gleichrichter eine Brückengleichrichter-Schaltung, welche aus vier Dioden besteht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, ist der Gleichrichter eine Zweiweggleichrichter-Schaltung, welche aus zwei Dioden besteht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, ist die Steuerschaltung ein ASIC, ein Mikrokontroller oder ein Hybrid aus diesen beiden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des dreiphasen LED-Modulsystems, ist die Steuerschaltung eine diskrete Schaltung, welche ohne Mikrocontroller oder ASIC auskommt.
-
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
-
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben.
-
1 zeigt ein Direct AC LED-Modul.
-
2 zeigt einen schematischen Schaltplan eines dreiphasigen LED-Modulsystems 200 gemäß der Erfindung.
-
Das dreiphase LED-Modulsystem 200 weist drei LED-Module 201, 202, 203 auf, die jeweils aufweisen:
- - einen Anschluss 204, 205, 206 für jeweils eine Phase einer Dreiphasen-Versorgungsspannung 207, 208, 209, so dass die LED-Module 201, 202, 203 mit 120 Grad phasenversetzen Phasen versorgt sind,
- - eine Versorgungsschaltung, mit
- - einem Gleichrichter 210, 211, 212, der die zugeführte Phase der Dreiphasen-Versorgungsspannung 207, 208, 209 gleichrichtet und Anschlüssen für eine Serienschaltung mehrere bevorzugt weißer LEDs 201-a,...,201-d, 202-a,...,202-d, 203a,..., 2o3d zuführt,
- - von einer Steuerschaltung 216, 217, 218 angesteuerte Kurzschlusselemente 201-e,.., 201-h, 202-e,.., 202-h, 203-e,..., 203-h, die selektiv innerhalb einer Halbwelle der jeweiligen gleichgerichteten Phase der Dreiphasen-Versorgungsspannung 200 eine Untergruppe G1,...,G6 der LEDs 201-a,...,201-d, 202-a,...,202-d, 203a,..., 203d der Serienschaltung kurzschließen bzw. aktiv schalten. Die Untergruppen folgen dem jeweiligen Sinusverlauf der Phase selektiv zu- und sind abschaltbar. Dies entspricht soweit dem bekannten Konzept des Direct-AC-Betriebs.
-
Gemäß der Erfindung wird ein dreiphasiges Stromnetz zur Versorgung von drei unabhängigen AC-LED-Modulen verwendet. Jedes AC-LED-Modul 201, 202, 203 liefert eine Lichtleistung, die über die Zeit variiert (LIGHT1 (t), LIGHT2 (t), LIGHT3 (t)).
-
Das von diesen drei Modulen kommende Licht summiert sich und reduziert dadurch das 100-Hz-Lichtflimmern.
-
Gemäß einer Ausführungsform sind alle LEDs (Stufen und Phasen) in einem COB-Modul montiert. Die LED-Chips sind nahe beieinander und teilen sich den gleichen Leuchtstoff.
-
3 zeigt einen schematischen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leuchtdioden-Moduls 201, das eine Steuerschaltung 216, eine Leuchtdioden-Strecke und eine Gleichrichterschaltung 210 umfasst.
-
Die Leuchtdioden-Strecke besteht aus in Serie geschalteten Leuchtdioden 201-a,..., 201-d, wobei erfindungsgemäß die Leuchtdioden-Strecke wenigstens drei Leuchtdioden aufweist, d. h. die Leuchtdioden-Strecke kann drei oder mehr Leuchtdioden aufweisen.
-
Wie in 3 gezeigt, ist zu der Leuchtdiode 201-a ein Schalter 201-e parallel geschaltet, wobei zu der LED 201-b der Schalter 201-f parallel geschaltet ist, zu der LED 201-c der Schalter 201-g parallel geschaltet ist und zu der LED 201-d der Schalter 201-h parallel geschaltet ist.
-
Für die Schalter 201-e,..., 201-d können jede dem Fachmann bekannten Schalter verwendet werden. Vorzugsweise sind die Schalter Transistoren, insbesondere bipolar Transistoren oder MOSFET Transistoren.
-
Das Leuchtdioden-Modul 201 ist an eine Wechselspannung 207 direkt anschließbar, welche durch die Gleichrichterschaltung 210 gleichgerichtet wird. Für die Gleichrichterschaltung 210 kann jede dem Fachmann bekannte Gleichrichterschaltung verwendet werden, wie z. B. eine Brückengleichrichter-Schaltung bestehend aus vier Dioden oder eine Zweiweggleichrichter-Schaltung bestehend aus zwei Dioden.
-
Die Gleichrichterschaltung 210 kann auch nicht Bestandteil des Leuchtdioden-Moduls 201 sein, sodass eine Gleichrichtung der Wechselspannung außerhalb des Leuchtdioden-Moduls 201 stattfindet und eine bereits gleichgerichtete Wechselspannung dem Leuchtdioden-Modul 201 zugeführt wird.
-
Die Steuerschaltung 216 steuert die Schalter 201-e,...,201-g derart, dass der Strom ILED an den zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Wechselspannung angepasst wird. Um dies zu erreichen werden die Leuchtdioden 201-a,...201-d der Leuchtdioden-Strecke stufenweise eingeschaltet.
-
Ein Beispiel für die Anpassung des Stroms ILED an den zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Wechselspannung bzw. an die Hüllkurve der gleichgerichteten Wechselspannung ist in 4 für eine Periode der gleichgerichteten Wechselspannung 207 zu sehen.
-
Die Steuerschaltung 216 ist vorzugsweise ein ASIC, ein Mikrokontroller oder ein Hybrid aus diesen beiden.
-
Das AC-LED-Modul 201 kann die Schalter 201-e,...,201-h verwenden, um die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs 201-a,...,201-d im Verlauf der gleichgerichteten Netzspannung zu erhöhen und zu verringern. Zur Vereinfachung werden in der folgenden Beschreibung vier LED-Strings 201-a,...,201-d verwendet (s. 3).
-
Die Wellenform der Lichtleistung hängt ab von (a) der Anzahl der LEDs 201-a,..,201-d pro Phase und (b) dem in jeder Strecke verwendeten LED-Strom. Aufgrund der Beschaffenheit der dreiphasigen Netzversorgung sind diese drei Wellenformen um jeweils 120° verschoben.
-
Um ein geringes Lichtflimmern zu erhalten, sollten diese phasenverschobenen, zeitabhängigen Lichtwellenformen bestimmte Zeitsteuerungsanforderungen erfüllen.
-
Generell ist darauf zu achten, dass mindestens ein Schaltpunkt synchronisiert ist zwischen zwei LED-Modulen, die von einer anderen Phase versorgt werden (diese Punkte sind in 5 mit tswi und tsw2 bezeichnet).
-
Aus dieser Anforderung ist es möglich, die Zeitabläufe jeder LED-Strecke und anschließend die Durchlassspannungen der LEDs pro Strecke zu berechnen.
-
Die folgenden Gleichungen zeigen ein Beispiel für vier LED-Strings pro Phase:
- Möglichkeit 1:
- - TS1 == TS2
- - 2 * TS4 == (To + TS3) == (TS1 + TS2)
- - To = 2/3 * T / 20, TS1 = TS2 = TS4 = T / 20, TS3 = 4/3 *T / 20
- Möglichkeit 2
- To = TS1 = TS2 = TS3 = T / 24 (für N Reihen-> T / (6 * N))
- TS4 = T / 12 (für N Reihen -> 2 * T / (6 * N))
-
In den obigen Gleichungen T bezeichnet die Netzperiode, To, Tsi, Ts4 sind in 4 dargestellt.
-
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das LED-Modulsystem 200 günstig ist und eine längere Lebenszeit aufweist.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung von Anordnung der drei Phasen L1, L2, L3 und deren Stufen S1, S2 und S3 auf einer PCB-Platte.
-
Idealerweise sind die Stufen der LEDs und die Phasen so angeordnet auf einer PCB-Platte, dass jede Gruppe eine konstante Lichtleistung hat. Da es einen Kompromiss zwischen dem PCB-Routing-Aufwand und der gleichmäßigen Lichtleistung gibt, werden verschiedene Optionen gezeigt.
-
In den folgenden Beispielen auf 6 sind die verschiedenen Phasen mit L1, L2, L3 bezeichnet, wobei jede Phase eine Anzahl von Stufen hat, die mit S1, S2, ... bezeichnet sind.
-
In diesen Beispielen wird es gezeigt, wie die drei Phasen L1, L2, L3 und deren Stufen S1, S2 und S3 auf einer PCB-Platte angeordnet sein könnten:
- Schritt 1: Erstellen von Unterbereichen, welche alle drei Phasen und verschiedene Stufen pro Phase enthalten: zum Beispiel [L1S1, L2S2, L3S3] - [L1S2, L2S3, L3S1] - [L1S3, L2S1, L3S2]. Dies gewährleistet die höchste Lichtgleichmäßigkeit und die beste Mischung zwischen den Phasen L1, L2 und L3.
- Schritt 2: Platzieren der drei Phasen nahe beieinander und Verwenden für jede Phase die gleichen Stufen. Dies vereinfacht die Leiterplattenplatzierung und -führung, da die Anzahl der LEDs pro Stufe für jede Phase gleich ist. Die einzelnen Stufen werden dann nacheinander platziert.
-
Bei einem QLE- oder CLE-Formfaktor befindet sich die höchste Stufe in der Mitte des Bereichs, da sie die höchste Lichtschwankung aufweist.
-
Vorteilsweise wird eine Wechselstrom-LED in einer Dreiphasenkonfiguration verwendet, und die Lichtleistung zwischen den drei Phasen wird summiert, um die Lichtschwankung von 100 Hz zu verringern.
-
Ferner werden eine kostengünstige und gute Netzleistung (d. H. PF und THD) sowie eine gute Lichtqualität (geringes Lichtflackern) erreicht.
-
7 ähnlich wie in 6 zeigt die Phasen L1, L2 und L3 und die Stufen S1, S2 und S3 auf einer PCB-Platte, aber im Falle der 7 werden nur die Phasen gemischt, während in 6 werden sowohl die Phasen als auch die Stufen gemischt.
-
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von Phasen L1, L2, L3 und Stufen S1, S2 und S3 auf einem COB-Modul.
-
In dieser Ausführungsform sind die LEDs sämtlicher Module von einer gemeinsamen, Leuchtstoff enthaltenden Schicht überdeckt sind.
